Eine echte Fotozelle: Die Arbeitsfunktion von Natrium
1 · Vorhersagen
Die Austrittsarbeit von Natrium ist 2.28 eV, was einer Schwellenwellenlänge um 544 nm (gelbgrünes Licht) entspricht. Würde rotes Licht (um 650 nm) Photoelektronen aus Natrium ausstoßen, egal wie hell es ist?
- Ja, wenn das Licht hell genug ist.
- Es kommt darauf an, wie lange das Licht scheint.
- Nein – die Photonenenergie von rotem Licht liegt unter der Austrittsarbeit von Natrium, sodass unabhängig von der Intensität keine Elektronen ausgestoßen werden.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Natrium-Fotozellen-Preset und drücken Sie „Zurücksetzen“. Die Arbeitsfunktion von Natrium ist 2.28 eV.
- Aktivieren Sie die Anzeige der Photonenenergie und des Photoemissionsstatus.
- Stellen Sie die Wellenlänge des Lichts für jeden Versuch ein und zeichnen Sie die maximale kinetische Energie auf (0 if unter dem Schwellenwert).
3 · Daten sammeln
| Wellenlänge λ (nm) | Photonenenergie E_γ (eV) | Maximale kinetische Energie K_max (eV) |
|---|---|---|
| 450.00 | ||
| 500.00 | ||
| 550.00 |
Tragen Sie K_max (y-Achse) gegen die Wellenlänge λ (x-Achse) für Ihre drei Versuche auf. Bei welcher Wellenlänge erreicht K_max den Nullpunkt?
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für einen Versuch E_γ = hc/λ, dann K_max = max(0, E_γ − φ) unter Verwendung von φ = 2.28 eV. Vergleichen Sie mit der Tabelle – bestätigen Sie, dass der Versuch mit der längsten Wellenlänge K_max = 0 ergibt.
- Die Schwellenwellenlänge von Natrium beträgt λ_threshold = hc/φ ≈ 544 nm. Erklären Sie, warum eine längere Wellenlänge (niedrigere Photonenenergie) niemals ein Elektron aus Natrium ausstoßen kann, unabhängig von der Intensität des Lichts.
5 · Vertiefen
- Es werden verschiedene Photovoltaikmaterialien ausgewählt, deren Austrittsarbeit an das Sonnenspektrum angepasst ist. Erklären Sie, warum ein Material mit einer zu HOHEN Austrittsarbeit den größten Teil des sichtbaren Sonnenlichts verschwenden würde, anstatt es in Elektrizität umzuwandeln.
- Dieses Experiment zeigt, dass K_max von der Wellenlänge (Farbe) und nicht von der Helligkeit abhängt. Welche physikalischen Eigenschaften des Lichts ändern sich, wenn Sie die Helligkeit bei einer festen Wellenlänge über den Schwellenwert erhöhen?
Die Physik hinter diesem Experiment
Schwellenwertverhalten
K_max = max(0, E_γ − φ): Unterhalb der Austrittsarbeit werden unabhängig von der Intensität keine Photoelektronen emittiert – eine scharfe Schwelle, die ein rein klassisches (Wellen-)Bild des Lichts nicht erklären kann.